一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测传感器，该检测传感器包括激励线圈、接收线圈和磁性装置，磁性装置包括多个检测模块，并且这些检测模块周向均匀布置，以用于吸附到被检细长构件的外侧；每个检测模块均包括外壳、永磁铁和导磁板；相邻两外壳通过一调节装置连接；激励线圈和接收线圈靠近检测模块并同轴套设于被检细长构件的外侧，激励线圈输入正弦交变电流，以在接收线圈中产生感应电压，以使计算机接收到此感应电压的信号并判断被检细长构件内是否存在缺陷。本传感器结构简单，具有体积小、重量轻、安装方便的特点；同时传感器通过串联永磁铁两侧的多层检测线圈，可增大检测信号幅值，提高检测灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，更具体地，涉及一种基于开放磁路的磁致 伸缩导波检测方法及传感器。

背景技术

随着石油、化工、交通等行业的迅速发展，管道和缆索被大量应用， 其中管道因高温、高压、冲刷等原因易出现腐蚀、穿孔或壁厚减薄等失效 形式；缆索因疲劳、雨水等原因易出现断丝、锈蚀等失效形式。为避免事 故的发生，需要对管道和缆索进行定期检测维护。超声导波检测技术具有 单点激励即可实现一段区域快速检测的特点，在检测过程中，无需移动传 感器，因此在该领域被广泛应用。

磁致伸缩导波检测具有非接触、被检构件表面无需打磨处理、检测效 率高的优点，适用于细长构件的现场检测。美国专利US005456113A中公 布了一种适用于大桥缆索的磁致伸缩导波检测方法，美国专利 US005581037A中公布了一种适用于管道的磁致伸缩导波检测方法。上述两 个专利中涉及的检测方法皆采用传统闭合磁路的磁化方式对被检缆索或管 道进行轴向磁化，即通过在缆索或管道表面沿周向布置一定数量的磁化器 来提供均匀的轴向静态磁场。虽然采用非接触式检测方法，无需对传感器 安装位置进行表面打磨处理，检测效率高，但单个磁化器体积大，重量大， 在一次导波检测过程中需要装拆多个磁化器，一定程度上降低了检测效率； 同时在实际检测中，被检细长构件的数量较多，采用磁化器提供轴向静态 磁场的检测方式存在安装不方便，费时费力的不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于开放磁 路的磁致伸缩导波检测方法与装置，其目的在于，利用永磁铁边缘处产生 的轴向静态磁场与螺旋线圈的轴向交变磁场相互作用，实现磁致伸缩纵向 模态导波的激励和接收，完成检测过程。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于开放磁路的磁致伸缩 导波检测传感器，其特征在于，该检测传感器包括激励线圈、接收线圈和 磁性装置，其中，

所述磁性装置包括多个检测模块，并且这些检测模块周向均匀布置， 以用于吸附到被检细长构件的外侧；

每个检测模块均包括外壳、永磁铁和导磁板，其中，所述永磁铁固定 安装在所述外壳内，其极化方向与被检细长构件的轴线方向垂直，所述导 磁板固定安装在所述外壳上并能与被检细长构件接触；

所有永磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

相邻两外壳通过一调节装置连接，每个调节装置均包括一调节滑杆和 两调节螺栓，其中，所述调节滑杆上设置有长条孔，两调节螺栓均从所述 长条孔处贯穿所述调节滑杆，每颗调节螺栓分别固定连接在外壳上；

所述激励线圈和所述接收线圈用于同轴套设于被检细长构件的外侧， 所述激励线圈能在输入正弦交变电流后在被检细长构件表层产生沿细长构 件轴向的交变磁场，并且此交变磁场与所述永磁铁形成的沿细长构件轴向 的静态磁场相互作用，进而在细长构件中激励纵向模态超声导波并在接收 线圈中产生感应电压，以使计算机接收到此感应电压的信号并判断被检细 长构件内是否存在缺陷。

优选地，所述外壳包括壳体和端盖，所述壳体和端盖均由不导磁材料 制成，所述端盖盖合在所述壳体上，以与壳体共同配合封闭所述永磁体。

优选地，所述导磁板由工业纯铁或低碳钢制成。

优选地，所述激励线圈和/或接收线圈分别为多层导线绕制而成。

优选地，所述激励线圈和接收线圈分别靠近所述外壳的两侧布置。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种检测系统，其特征在于，包 括检测传感器，另外，该装置还包括信号发生器、功率放大器、信号预处 理器、A/D转换器和计算机，其中，所述功率放大器与激励线圈电连接， 所述信号预处理器与接收线圈电连接。所述计算机控制信号发生器产生正 弦脉冲电流信号，经功率放大器放大后输入到所述检测传感器，在被检细 长构件中激励纵向模态超声导波，同时接收超声导波在接收线圈中产生的 电信号，经所述信号预处理器和A/D转换器处理后，输入所述计算机，最 终获取超声导波检测信号，以判断被检细长构件内是否存在缺陷。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于开放磁路的磁致伸缩导 波检测方法，用于在细长构件上激励和接收纵向模态导波以及实现细长构 件的缺陷检测，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在被检的细长构件的外侧周向布置多个永磁铁，其中每个所述永磁 铁中的极化方向均与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行磁 化，从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有永 磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

2)沿所述细长构件的轴向分别套设激励线圈和接收线圈，并且激励线 圈和接收线圈的绕向相反；

3)计算机通过信号发生器和功率放大器向激励线圈输入正弦交变电流， 从而在被检细长构件表层产生沿细长构件轴向的交变磁场，并且此交变磁 场与所述永磁铁形成的沿细长构件轴向的静态磁场相互作用，进而在细长 构件中激励纵向模态导波并在接收线圈中产生感应电压；

4)计算机通过信号处理器和A/D转换器接收此感应电压的信号，以判 断细长构件中是否存在缺陷。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于开放磁路的磁致伸缩导 波检测方法，用于在细长构件上激励和接收纵向模态导波以及实现细长构 件的缺陷检测，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在被检的细长构件的外侧周向布置多个永磁铁，其中每个所述永磁 铁中的极化方向均并与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行 磁化，从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有 永磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

2)沿所述细长构件轴向分别套设两个第一螺线管线圈，所述的两个第 一螺线管线圈通过第一导线连接在一起以共同构成激励线圈；再沿所述细 长构件轴向分别设置两个第二螺线管线圈，所述的两个第二螺线管线圈通 过第二导线连接在一起以构成接收线圈，并且每个所述第二螺线管线圈分 别套设在一对应位置处的第一螺线管线圈上，其中，两个第一螺线管线圈 绕向相反，两个第二螺线管线圈绕向相反；

3)计算机通过信号发生器和功率放大器向激励线圈输入正弦交变电流， 从而在被检细长构件表层产生沿细长构件轴向的交变磁场，并且此交变磁 场与所述永磁铁形成的沿细长构件轴向的静态磁场相互作用，进而在细长 构件中激励纵向模态导波并在接收线圈中产生感应电压；

4)计算机通过信号处理器和A/D转换器接收此感应电压的信号，以判 断细长构件中是否存在缺陷。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于开放磁路的磁致伸缩导 波检测方法，用于在细长构件上激励和接收纵向模态导波以及实现细长构 件的缺陷检测，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)沿被检的细长构件的轴向分别套设两个检测装置，其中，每个检测 装置均包括沿被检细长构件的外侧周向布置多个永磁铁，每个所述永磁铁 中的极化方向均与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行磁化， 从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有永磁体 靠近细长构件的一端的极性相同；

2)在细长构件对应于其中一个所述检测装置的部位分别套设两个第一 螺线管线圈，所述的两个第一螺线管线圈通过第一导线连接在一起以共同 构成激励线圈；然后在细长构件对应于另一个所述检测装置的部位分别套 设两个第二螺线管线圈，所述两个第二螺线管线圈通过第二导线连接在一 起以共同构成接收线圈，其中，两个第一螺线管线圈绕向相反，两个第二 螺线管线圈绕向相反；

3)计算机通过信号发生器和功率放大器向激励线圈输入正弦交变电流， 从而在被检细长构件表层产生沿细长构件轴向的交变磁场，并且此交变磁 场与所述永磁铁形成的沿细长构件轴向的静态磁场相互作用，进而在细长 构件中激励纵向模态导波并在接收线圈中产生感应电压；

4)计算机通过信号处理器和A/D转换器接收此感应电压的信号，以判 断细长构件中是否存在缺陷。

优选地，每个所述第一螺线管线圈和/或第二螺线管线圈由多层导线绕 制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

本发明提出的基于开放磁路的磁致伸缩导波传感器有别于传统的闭合 磁路传感器(由磁化器提供均匀的轴向静态磁场)，只需利用单排周向阵 列磁铁提供的轴向静态磁场，其提供的是一种开放的磁路，磁路与传统的 闭合磁路传感器不一样，并且传感器结构简单，具有体积小、重量轻、安 装方便的特点；同时传感器通过串联永磁铁两侧的多层检测线圈，可增大 检测信号幅值，提高检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例的基于开放磁路的磁致伸缩导波传感器的检测原 理示意图；

图2为本发明实施例的基于开放磁路的磁致伸缩导波传感器的单个模 块结构示意图；

图3为本发明实施例的基于开放磁路的磁致伸缩导波检测装置的安装 示意图；

图4为使用本发明实施例的导波检测传感器，采用“自激自收”形式在标 样管上获取检测信号的波形图；

图5为使用本发明实施例的导波检测传感器，采用“一激一收”形式在标 样管上获取检测信号的波形图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： 1-调节滑杆2-调节螺栓3-壳体4-端盖5-永磁铁6-导磁板7-激励线圈8- 接收线圈9-被检细长构件10-计算机11-信号发生器12-功率放大器13- 信号预处理器14-A/D转换器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

参照图1～图3，一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测传感器，其特 征在于，该检测传感器包括激励线圈7、接收线圈8和磁性装置，其中，

所述磁性装置包括多个检测模块，并且这些检测模块周向均匀布置， 以用于吸附到被检细长构件9的外侧；

每个检测模块均包括外壳、永磁铁5和导磁板6，其中，所述永磁铁5 固定安装在所述外壳内，其极化方向与被检细长构件9的轴线方向垂直， 所述导磁板6固定安装在所述外壳上并能与被检细长构件9接触；优选地， 所述外壳包括壳体3和端盖4，所述壳体3和端盖4均由不导磁材料制成， 所述端盖4盖合在所述壳体3上，以与壳体3共同配合封闭所述永磁体， 所述导磁板6由工业纯铁制成。

所有永磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

相邻两外壳通过一调节装置连接，每个调节装置均包括一调节滑杆1 和两调节螺栓2，其中，所述调节滑杆1上设置有长条孔，两调节螺栓2均 从所述长条孔处贯穿所述调节滑杆1，每颗调节螺栓2分别固定连接在一外 壳上；

所述激励线圈7和所述接收线圈8用于同轴套设于被检细长构件9的 外侧，所述激励线圈7输入正弦交变电流，从而在被检细长构件9表层产 生沿细长构件轴向的交变磁场，并且此交变磁场与所述永磁铁5形成的沿 细长构件轴向的静态磁场相互作用，进而在细长构件中产生沿细长构件纵 向的模态导波并在接收线圈8中产生感应电压，以使计算机10接收到此感 应电压的信号并判断被检细长构件9内是否存在缺陷。优选地，所述激励 线圈7和/或接收线圈8分别为多层导线绕制而成。所述激励线圈7和接收 线圈8分别靠近所述外壳的两端布置，利用永磁铁5边缘处轴向磁场的峰 值点激励和接收超声导波，以增强检测信号幅值。

激励线圈7通以交流电，形成沿被检构件轴线方向的交变磁场，该交 变磁场与方形磁铁提供的轴向静态磁场相互作用，在被检构件中产生磁致 伸缩应变从而激励出超声导波信号进行无损检测；同时带有构件信息的超 声导波信号引起被检构件磁感应强度变化，在接收线圈8产生带有检测信 息的电信号，根据该电信号可获取检测结果。

参照图2，检测模块以周向阵列形式布置，所述中空壳体3和端盖4均 优选采用尼龙材料制作；导磁板6放置在方形磁铁上，并由紧定螺钉固定 在壳体33上，方形磁铁极化方向与被检细长构件9的轴线方向垂直；激励 线圈7和接收线圈8紧靠导磁板6两侧绕制在被检管道外表面，并通过串 联或多层线圈的方式，增大检测信号幅值，以提高检测灵敏度，其中方形 磁铁两侧的线圈绕向相反，同侧线圈绕向相同；调节螺栓2贯穿调节滑杆1 与壳体3连接。

参照图3，多个检测模块以周向阵列形式组成所述检测传感器，由调节 滑杆1连接各个检测模块，同时通过改变调节螺栓2与调节滑杆1的相对 位置来控制相邻检测模块之间的间距，以适应不同直径管道或缆索的检测 工况。其中，相邻检测模块之间沿被检管道轴线方向两侧均采用调节滑杆1 连接，以确保各个检测模块的轴向安装位置相同。同时，可根据被检管道 的直径，确定满足检测需要的单个检测模块的个数，具有良好的可重构性， 且整个传感器体积小，重量轻，方便安装。

计算机10控制信号发生器11产生正弦脉冲电流信号，经功率放大器 12放大后输入到上述检测传感器，基于磁致伸缩效应由激励线圈7在被检 管道激励出超声导波，同时基于磁致伸缩逆效应在接收线圈8产生电信号， 经所述信号预处理器13和A/D转换器14后，输入所述计算机10，最终获 取超声导波检测信号，完成检测过程。

下面介绍两种“自激自收”形式的检测方法。

第一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法，用于在细长构件上激 励和接收纵向模态导波以及实现细长构件的缺陷检测，该方法包括以下步 骤：

1)在被检的细长构件的外侧周向布置多个永磁铁5，其中每个所述永 磁铁5中的极化方向与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行 磁化，从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有 永磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

2)沿所述细长构件的轴向分别套设激励线圈7和接收线圈8，并且激 励线圈7和接收线圈8的绕向相反；

3)计算机10通过信号发生器11和功率放大器12向激励线圈7输入 正弦交变电流，从而在被检细长构件9表层产生沿细长构件轴向的交变磁 场，并且此交变磁场与所述永磁铁5形成的沿细长构件轴向的静态磁场相 互作用，进而在细长构件中激励纵向模态导波并在接收线圈8中产生感应 电压；

4)计算机10通过信号处理器和A/D转换器14接收此感应电压的信号， 以判断细长构件中是否存在缺陷。

第二种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法，用于在细长构件上激 励和接收纵向模态导波以及实现细长构件的缺陷检测，其特征在于，该方 法包括以下步骤：

1)在被检的细长构件的外侧周向布置多个永磁铁5，每个所述永磁铁 5中的极化方向均与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行磁化， 从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有永磁体 靠近细长构件的一端的极性相同；

2)沿所述细长构件轴向分别套设两个第一螺线管线圈，所述的两个第 一螺线管线圈通过第一导线连接在一起以共同构成激励线圈7；再沿所述细 长构件轴向分别设置两个第二螺线管线圈，所述的两个第二螺线管线圈通 过第二导线连接在一起以构成接收线圈8，并且每个所述第二螺线管线圈分 别套设在一对应位置处的第一螺线管线圈上，其中，两个第一螺线管线圈 绕向相反，两个第二螺线管线圈绕向相反；

3)计算机10通过信号发生器11和功率放大器12向激励线圈7输入 正弦交变电流，从而在被检细长构件9表层产生沿细长构件轴向的交变磁 场，并且此交变磁场与所述永磁铁5形成的沿细长构件轴向的静态磁场相 互作用，进而在细长构件中激励纵向模态导波并在接收线圈8中产生感应 电压；

4)计算机10通过信号处理器和A/D转换器14接收此感应电压的信号， 以判断细长构件中是否存在缺陷。

“自激自收”的意思是上述设置在细长构件一个部位处的永磁铁5、激 励线圈7和接收线圈8等组成一个传感器，此传感器自身可以产生激励信 号和获得感应信号。

图4为使用本发明实施例的导波检测传感器，采用第一种的“自激自收” 的方法在标样管上获取检测信号的波形图。标样管为外径90mm，壁厚8mm， 长度2.8m的碳钢管。将所述导波检测传感器安装在标样管的左端部，周向 共9个检测模块，采用图3所示的线圈连接方式，方形磁铁两侧的激励线 圈7和接收线圈8均为单层线圈。激励频率为50kHz，图4中M表示激励 线圈7和接收线圈8直接耦合产生的电磁脉冲信号，E1、E2和E3分别表 示超声导波经标样管右端部反射后的第一次、第二次和第三次回波信号。 检测信号幅值明显，信噪比好，说明采用开放磁路的磁致伸缩导波检测方 法可行，且检测效果较好。

下面介绍“一激一收”的测量方法。

一种基于开放磁路的磁致伸缩导波检测方法，用于在细长构件上激励 和接收纵向模态导波以及实现细长构件的缺陷检测，其特征在于，该方法 包括以下步骤：

1)沿被检的细长构件的轴向分别套设两个检测装置，其中，每个检测 装置均包括沿被检细长构件9的外侧周向布置多个永磁铁5，每个所述永磁 铁5中的极化方向均与所述细长构件的轴线垂直，以用于对细长构件进行 磁化，从而在细长构件的表层产生逐渐衰减的轴向静态磁场；此外，所有 永磁体靠近细长构件的一端的极性相同；

2)在细长构件对应于其中一个所述检测装置的部位分别套设两个第一 螺线管线圈，所述的两个第一螺线管线圈通过第一导线连接在一起以共同 构成激励线圈7；然后在细长构件对应于另一个所述检测装置的部位分别套 设两个第二螺线管线圈，所述两个第二螺线管线圈通过第二导线连接在一 起以共同构成激励线圈7，其中，两个第一螺线管线圈绕向相反，两个第二 螺线管线圈绕向相反；优选地，每个所述第一螺线管线圈和/或第二螺线管 线圈由多层导线绕制。

3)计算机10通过信号发生器11和功率放大器12向激励线圈7输入 正弦交变电流，从而在被检细长构件9表层产生沿细长构件轴向的交变磁 场，并且此交变磁场与所述永磁铁5形成的沿细长构件轴向的静态磁场相 互作用，进而在细长构件中激励纵向模态导波并在接收线圈8中产生感应 电压；

4)计算机10通过信号处理器和A/D转换器14接收此感应电压的信号， 以判断细长构件中是否存在缺陷。

“一激一收”是在细长构件的其中一个部位放置的永磁铁5与螺线管 线圈共同构成的组件相当于激励传感器，另一个部位放置的永磁铁5与螺 线管线圈共同构成的组件相当于接收传感器，因此一个作激励，一个作接 收。

图5为使用本发明实施例的导波检测传感器，采用“一激一收”的方 法在标样管上获取检测信号的波形图。激励线圈7与图4的检测方式相同， 激励传感器仍安装在标样管左端部。接收传感器则安装在距激励传感器 0.8m处，采用双层线圈且将方形磁铁两侧的线圈串联作为接收线圈8以增 大检测信号幅值。将激励频率增大至120kHz，图5中M表示激励线圈7 和接收线圈8直接耦合产生的电磁脉冲信号，P表示经过接收传感器的通过 信号，ER表示超声导波经标样管右端部反射后的回波信号，EL表示超声 导波依次经过标样管右端部和左端部反射后的回波信号。相比较于图4，图 5的激励条件相同，接收线圈8则通过双层线圈串联的方式，检测信号幅值 增大，说明采用多层线圈串联的方式，高频激励超声导波，在保证检测信 号幅值的条件下，提高了检测精度。从实验结果可看出，利用本发明提供 的检测方法和检测装置，检测效果良好，传感器安装方便快捷，检测效率 高，满足现场检测需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。